Replicating adenoviruses targeting tumours with constitutive activation of the Wnt signalling pathway

Abstract Activation of the Wnt pathway through mutation of the adenomatous polyposis coli and 13-catenin genes is a hallmark of colon cancer. These mutations lead to constitutive activation of transcription from promoters containing binding sites for Tcf/LEF transcription factors. Tumour-selective replicating oncolytic viruses are promising agents for cancer therapy. They can in principle spread throughout a tumour mass until all the cancerous cells are killed, and clinical trials have shown that they are safe except at very high doses. Adenoviruses are interesting candidates for virotherapy because their biology is well understood and their small genome can be rapidly mutated. Adenoviruses with Tcf binding sites in the E2 early promoter replicate selectively in cells with an active Wnt pathway. Although these viruses can replicate in a broad panel of colon cancer cell lines, some colorectal cancer cells are only semi-permissive for Tcf-virus replication. The aim of my thesis was to increase the safety and the efficacy of Tcf-viruses for colon cancer virotherapy. I replaced the endogenous ElA viral promoter by four Tcf binding sites and showed that transcription from the mutant promoter was specifically activated by the Wnt pathway. A virus with Tcf binding sites in the ElA and E4 promoters was more selective for the Wnt pathway than the former Tcf-E2 viruses. Moreover, insertion of Tcf binding sites into all early promoters further increased viral selectivity, but reduced viral activity. I showed that Tcf-dependent transcription was inhibited by the interaction between ElA and p300, but deletion of the p300-binding site of ElA generally led to viral attenuation. In the semi-permissive cell lines, replication of Tcf-viruses remained lower than that of the wild-type virus. The E2 promoter was the most sensitive to the cell type, but I was unable to improve its activity by targeted mutagenesis. To increase the toxicity of the Tcf-E1A/E4 virus, I decided to express a suicide gene, yeast cytosine deaminase (yCD), late during infection. This enzyme converts the prodrug 5-FC to the cytotoxic agent 5-FU. yCD was expressed in a DNA replication-dependent manner and increased viral toxicity in presence of 5-FC. Tcf-ElA and yCD adenoviruses are potentially useful vectors for the treatment of liver metastases from colorectal tumours. Résumé Dans la quasi-totalité des cancers du côlon, la voie Wnt est activée par des mutations dans les gènes codant pour APC ou pour la (3-caténine. Ces mutations activent de façon constitutive la transcription de promoteurs contenant des sites de liaison pour les facteurs de transcription Tcf/LEF. Les virus réplicatifs spécifiques aux tumeurs sont des agents prometteurs pour la thérapie cancéreuse. En principe, ces vecteurs peuvent se propager dans une masse tumorale jusqu'à destruction de toutes les cellules cancéreuses, et des études cliniques ont démontré que de tels vecteurs n'étaient pas toxiques, sauf à de très hautes doses. Les adénovirus sont des candidats intéressants pour la thérapie virale car leur biologie est bien définie et leur petit génome peut être rapidement modifié. Des adénovirus comportant des sites de liaison à Tcf dans leur promoteur précoce E2 se répliquent sélectivement dans les cellules qui possèdent une voie Wnt active. Ces virus sont capables de se répliquer dans un grand nombre de cellules cancéreuses du côlon, bien que certaines de ces cellules ne soient que semi-permissives pour la réplication des virus Tcf. Le but de ma thèse était d'augmenter la sécurité et l'efficacité des virus Tcf. Le promoteur viral endogène ElA a été remplacé par quatre sites de liaison à Tcf, ce qui a rendu son activation dépendante de la voie Wnt. Un virus comportant des sites de liaison pour Tcf dans les promoteurs ElA et E4 était plus sélectif pour la voie Wnt que les précédents virus Tcf-E2, et un virus comportant des sites Tcf dans tous les promoteurs précoces était encore plus sélectif, mais moins actif. J'ai montré que l'interaction entre ElA et p300 inhibait la transcription dépendante de Tcf, mais la délétion du domaine concerné dans ElA a eu pour effet d'atténuer les virus. Dans les cellules semi-permissives, la réplication des virus Tcf était toujours plus basse que celle du virus sauvage. J'ai identifié le promoteur E2 comme étant le plus sensible au type cellulaire, mais n'ai pas pu augmenter son activité par mutagenèse. Pour augmenter la toxicité du virus Tcf-E1A/E4, j'ai décidé d'exprimer un gène suicide, la cytosine déaminase (yCD), pendant la phase tardive de l'infection. Cette enzyme transforme la procirogue 5-FC en l'agent cytotoxique 5-FU. yCD était exprimée après réplication de l'ADN viral et augmentait la toxicité virale en présence de 5-FC. Les virus Tcf-ElA et yCD sont des vecteurs potentiellement utiles pour le traitement des métastases hépatiques de cancers colorectaux.

Functions of the human papillomavirus type 16 E4 protein

1. Abstract Cervical cancer is thought to be the consequence of infection by human papillomaviruses (HPV). In the majority of cases, DNA from HPV type 16 (HPV16) is found in malignant cervical lesions. The initial steps leading to transformation of an infected cell are not clearly understood but in most cases, disruption and integration of the episomal viral DNA must take place. As a consequence, the E2 and E4 genes are usually not expressed whereas the E6 and E7 oncogenes are highly expressed. However, in a normal infection in which the viral DNA is maintained as an episome, all viral genes are expressed. The pattern according to which the viral proteins are made, and therefore the life cycle of the virus, is tightly linked to the differentiation process of the host keratinocyte. The study of the viral oncogenes E6 and E7 has revealed crucial functions in the process of malignant transformation such as degradation of the p53 tumor suppressor protein, deregulation of the Retinoblastoma protein pathway and activation of the telomerase ribonucleoprotein. All these steps are necessary for cancerous lesions to develop. However, the loss of the E2 gene product seems to be necessary for sufficient expression of E6 and E7 in order to achieve such effects. In normal infections, the E4 protein is made abundantly in the later stages of the viral life cycle. Though extensive amounts of work have been carried out to define the function of E4, it still remains unclear. In this study, several approaches have been used to try and determine the functions of E4. First, a cell-penetrating fusion protein was designed and produced in order to circumvent the chronic difficulties of expressing E4 in mammalian cells. Unfortunately, this approach was not successful due to precipitation of the purified fusion protein. Second, the observation that E4 accumulates in cells having modified their adhesion properties led to the hypothesis that E4 might be involved in the differentiation process of keratinocytes. Preliminary results suggest that E4 triggers differentiation. Last, as E4 has been reported to collapse the cytokeratin network of keratinocytes, a direct approach using atomic force microscopy has allowed us to test the potential modification of mechanical properties of cells harboring reorganized cytokeratin networks. If so, a potential role for E4 in viral particle release could be hypothesized. 2. Résumé Il a été établi que le cancer du col de l'utérus se développe essentiellement à la suite d'une infection par le virus du papillome humain (HPV). Dans la majorité des cas analysés, de l'ADN du HPV de type 16 (HPV16) est détecté. Les étapes initiales de la transformation d'une cellule infectée sont mal connues mais il semble qu'une rupture du génome viral, normalement épisomal, suivi d'une intégration dans le génome de la cellule hôte soient des étapes nécessaires dans la plupart des cas. Or il semble qu'il y ait une sélection pour les cas où l'expression des oncogènes viraux E6 et E7 soit favorisée alors que l'expression des gènes E2 et E4 est en général impossible. Par contre, dans une infection dite normale où le génome viral n'est pas rompu, il n'y pas développement de cancer et tous les gènes viraux sont exprimés. L'ordre dans lequel les protéines virales sont produites, et donc le cycle de réplication du virus, est intimement lié au processus de différentiation de la cellule hôte. L'étude des protéines oncogènes E6 et E7 a révélé des fonctions clés dans le processus de transformation des cellules infectées telles que la dégradation du suppresseur de tumeur p53, la dérégulation de la voie de signalisation Rb ainsi que l'activation de la télomérase. Toutes ces activités sont nécessaires au développement de lésions cancéreuses. Toutefois, il semble que l'expression du gène E2 doit être empêchée afin que suffisamment des protéines E6 et E7 soient produites. Lorsque le gène E2 est exprimé, et donc lorsque le génome viral n'est pas rompu, les protéines E6 et E7 n'entraînent pas de telles conséquences. Le gène E4, qui se trouve dans la séquence codante de E2, a aussi besoin d'un génome viral intact pour être exprimé. Dans une infection normale, le gène E4 est exprimé abondamment dans les dernières étapes de la réplication du virus. Bien que de nombreuses études aient été menées afin de déterminer la fonction virale à E4, aucun résultat n'apparaît évident. Dans ce travail, plusieurs approches ont été utilisées afin d'adresser cette question. Premièrement, une protéine de fusion TAT-E4 a été produite et purifiée. Cette protéine, pouvant entrer dans les cellules vivantes par diffusion au travers de la membrane plasmique, aurait permis d'éviter ainsi les problèmes chroniques rencontrés lors de l'expression de E4 dans les cellules mammifères. Malheureusement, cette stratégie n'a pas pu être utilisée à cause de la précipitation de la protéine purifiée. Ensuite, l'observation que E4 s'accumule dans les cellules ayant modifié leurs propriétés d'adhésion a suggéré que E4 pourrait être impliqué dans le procédé de différentiation des kératinocytes. Des résultats préliminaires supportent cette possibilité. Enfin, il a été montré que E4 pouvait induire une réorganisation du réseau des cytokératines. Une approche directe utilisant le microscope à force atomique nous a ainsi permis de tester une potentielle modification des propriétés mécaniques de cellules ayant modifié leur réseau de cytokératines en présence de E4. Si tel est le cas, un rôle dans la libération de particules virales peut être proposé pour E4.

Dysregulated activation of the CXCR4/CXCL12 Axisand its role in the malignant phenotype of neural crest-derived neuroblastoma tumours

Résumé: Le neuroblastome (NB) est un néoplasme dévastateur de la petite enfance, pour lequel il n'existe pas encore de traitement efficace. Les chimiokines et leurs récepteurs ont été impliqués dans la croissance des tumeurs et la formation de métastases, et en particulier, il a été rapporté que l'axe CXCR4/CXCL12 dirigeait le guidage, ainsi que l'invasion des cellules cancéreuses vers des organes spécifiques. Notre étude avait pour objectif d'analyser le rôle de CxCR4 exogène dans le comportement malin du NB, en étudiant la croissance des cellules tumorales, leur capacité de survie, de migration et d'invasion in vitro et en validant ces résultats grâce à un modèle orthotopique murin de la progression tumorale du NB in vivo. La surexpression de CXCR4 dans les cellules faiblement métastatiques IGR-NB8 n'exprimant pas CXCR4, a augmenté la mobilité des cellules vers CXCL12 in vitro. De plus, les cellules surexprimant CXCR4 ont été moins affectées par la privation de sérum que les cellules contrôles. Le volume des tumeurs chez les animaux greffés de manière orthotopique avec les cellules NB8-CXCR4-C3 était significativement plus élevé que celui des tumeurs issues des cellules contrôles NB8-E6 au moment du sacrifice des animaux. Cependant, aucune induction des métastases n'a été observée. La lignée cellulaire IGR-N91, aux propriétés invasives et métastatiques in vivo, exprime constitutivement des quantités modérées de CXCR4. La surexpression du récepteur dans cette lignée a accéléré la croissance tumorale in vivo, mais n'a pas augmenté pas l'occurrence des métastases. Les cellules IGR-N91, dans lesquelles l'expression de CXCR4 a été éteinte, suite à l'introduction de shRNA stable contre CXCR4, a présenté une croissance cellulaire plus lente, in vitro et in vivo. Afin d'identifier les gènes et les voies de signalisation impliqués dans les effets dépendants de CXCR4-CXCL12 dans le NB, des analyses du profil d'expression des gènes ont été effectuées sur les lignées cellulaires transfectées ou non (contrôle). Trois clones contrôles ont été comparés à 3 clones surexprimant CXCR4 pour chacune des lignées (IGR-NB8 et IGR-N91). Les analyses biostatiques ont identifié 10 gènes induits, dont CXCR4, et 31 gènes réprimés, communs entre tous les clones surexprimant CXCR4. Ces observations démontrent que la surexpression de CXCR4 dans le NB stimule la croissance, la survie et la migration chémotactique des cellules tumorales, mais est insuffisante pour induire ou augmenter leurs capacités invasives et métastatiques. Les voies de signalisation activées suite à la surexpression de CXCR4 et identifiées à travers le profil global de l'expression des gènes pourraient être des cibles intéressantes pour le développement de drogues capables d'inhiber la croissance tumorale. Abstact: Neuroblastoma (NB) is a devastating childhood neoplasm for which there is not yet an efficient treatment. Chemokines and their receptors have been involved in tumour growth and metastasis, and in particular the CXCR4/CXCL12 axis has been reported to mediate organ-specific cancer cells homing and invasion. The purpose of the study was to investigate the role of ectopic CXCR4 in the malignant behaviour of NB by studying tumour cell growth, survival, migration, and invasion in vitro and by validating these results using a murine orthotopic model of NB tumour progression in vivo. CXCR4 overexpression in the low metastatic, CXCR4-negative IGR-NB8 cells resulted in CXCL12-mediated chemotaxis in vitro. Furthermore, CXCR4 overexpressing cells were less affected by serum deprivation than mock-transduced cells. In vivo studies revealed that, at sacrifice, volumes of tumours developing in mice with orthotopically implanted NB8-CXCR4-C3 cells, were significantly increased compared to NB8-E6 control tumours. However, no induction of metastases was observed. The in vivo invasive and metastatic cell line IGR-N91 cell line constitutively expresses moderate levels of CXCR4. Overexpression of CXCR4 enhanced in vivo tumour growth but did not increase the occurrence of metastases. IGR-N91 cells where CXCR4 has been knocked-down by stable shRNA grew slower in vitro and in vivo. To identify genes and pathways involved in the CXCR4/CXCL12-mediated effects in NB expression, profiles analyses (Affymetrix) were performed on transduced and control cell lines. Three mock-transduced clones were compared to three CXCR4 overexpressing clones of either cell line IGR-NB8 and IGR-N91. Biostatistical analysis identified 10 commonly upregulated genes (including CXCR4) and 31 downregulated genes common to all CXCR4 overexpressing clones. These observations demonstrate that overexpression of CXCR4 in NB stimulates tumour cell growth, survival, and chemotactic migration but is not sufficient to induce or enhance invasive and metastatic capacities. Activated pathways upon CXCR4 overexpression, identified through global gene expression profiling may be interesting targets for drugs inhibiting tumour growth.

Optimising approaches to active immunotherapy of cancer

The design of therapeutic cancer vaccines is aimed at inducing high numbers and potent T cells that are able to target and eradicate malignant cells. This calls for close collaboration between cells of the innate immune system, in particular dendritic cells (DCs), and cells of the adaptive immune system, notably CD4+ helper T cells and CD8+ cytotoxic T cells. Therapeutic vaccines are aided by adjuvants, which can be, for example, Toll¬like Receptor agonists or agents promoting the cytosolic delivery of antigens, among others. Vaccination with long synthetic peptides (LSPs) is a promising strategy, as the requirement for their intracellular processing will mainly target LSPs to professional antigen presenting cells (APCs), hence avoiding the immune tolerance elicited by the presentation of antigens by non-professional APCs. The unique property of antigen cross-processing and cross-presentation activity by DCs plays an important role in eliciting antitumour immunity given that antigens from engulfed dead tumour cells require this distinct biological process to be processed and presented to CD8+T cells in the context of MHC class I molecules. DCs expressing the XCR1 chemokine receptor are characterised by their superior capability of antigen cross- presentation and priming of highly cytotoxic T lymphocyte (CTL) responses. Recently, XCR1 was found to be also expressed in tissue-residents DCs in humans, with a simitar transcriptional profile to that of cross- presenting murine DCs. This shed light into the value of harnessing this subtype of XCR1+ cross-presenting DCs for therapeutic vaccination of cancer. In this study, we explored ways of adjuvanting and optimising LSP therapeutic vaccinations by the use, in Part I, of the XCLl chemokine that selectively binds to the XCR1 receptor, as a mean to target antigen to the cross-presenting XCR1+ DCs; and in Part II, by the inclusion of Q.S21 in the LSP vaccine formulation, a saponin with adjuvant activity, as well as the ability to promote cytosolic delivery of LSP antigens due to its intrinsic cell membrane insertion activity. In Part I, we designed and produced XCLl-(OVA LSP)-Fc fusion proteins, and showed that their binding to XCR1+ DCs mediate their chemoattraction. In addition, therapeutic vaccinations adjuvanted with XCLl-(OVA LSP)-Fc fusion proteins significantly enhanced the OVA-specific CD8+ T cell response, and led to complete tumour regression in the EL4-OVA model, and significant control of tumour growth in the B16.0VA tumour model. With the aim to optimise the co-delivery of LSP antigen and XCLl to skin-draining lymph nodes we also tested immunisations using nanoparticle (NP)-conjugated OVA LSP in the presence or absence of XCLl chemokine. The NP-mediated delivery of LSP potentiated the CTL response seen in the blood of vaccinated mice, and NP-OVA LSP vaccine in the presence of XCLl led to higher blood frequencies of OVA-specific memory-precursor effector cells. Nevertheless, in these settings, the addition XCLl to NP-OVA LSP vaccine formulation did not increase its antitumour therapeutic effect. In the Part II, we assessed in HLA-A2/DR1 mice the immunogenicity of the Melan-AA27L LSP or the Melan-A26. 35 AA27l short synthetic peptide (SSP) used in conjunction with the saponin adjuvant QS21, aiming to identify a potent adjuvant formulation that elicits a quantitatively and qualitatively strong immune response to tumour antigens. We showed a high CTL immune response elicited by the use of Melan-A LSP or SSP with QS21, which both exerted similar killing capacity upon in vivo transfer of target cells expressing the Melan-A peptide in the context of HLA-A2 molecules. However, the response generated by the LSP immunisation comprised higher percentages of CD8+T cells of the central memory phenotype (CD44hl CD62L+ and CCR7+ CD62L+) than those of SSP immunisation, and most importantly, the strong LSP+QS21 response was strictly CD4+T cell-dependent, as shown upon CD4 T cell depletion. Altogether, these results suggest that both XCLl and QS21 may enhance the ability of LSP to prime CD8 specific T cell responses, and promote a long-term memory response. Therefore, these observations may have important implications for the design of protein or LSP-based cancer vaccines for specific immunotherapy of cancer -- Les vacans thérapeutiques contre le cancer visent à induire une forte et durable réponse immunitaire contre des cellules cancéreuses résiduelles. Cette réponse requiert la collaboration entre le système immunitaire inné, en particulier les cellules dendrites (DCs), et le système immunitaire adaptatif, en l'occurrence les lymphocytes TCD4 hdper et CD8 cytotoxiques. La mise au point d'adjuvants et de molécules mimant un agent pathogène tels les ligands TLRs ou d'autres agents facilitant l'internalisation d'antigènes, est essentielle pour casser la tolérance du système immunitaire contre les cellules cancéreuses afin de générer une réponse effectrice et mémoire contre la tumeur. L'utilisation de longs peptides synthétiques (LSPs) est une approche prometteuse du fait que leur présentation en tant qu'antigénes requiert leur internalisation et leur transformation par les cellules dendrites (DCs, qui sont les mieux à même d'éviter la tolérance immunitaire. Récemment une sous-population de DCs exprimant le récepteur XCR1 a été décrite comme ayant une capacité supérieure dans la cross-présentation d'antigènes, d'où un intérêt à développer des vaccins ciblant les DCs exprimant le XCR1. Durant ma thèse de doctorat, j'ai exploré différentes approches pour optimiser les vaccins avec LSPs. La première partie visait à cibler les XCR1-DCs à l'aide de la chemokine XCL1 spécifique du récepteur XCR1, soit sou s la forme de protéine de fusion XCL1-OVA LSP-Fc, soit associée à des nanoparticules. La deuxième partie a consisté à tester l'association des LSPs avec I adjuvant QS21 dérivant d'une saponine dans le but d'optimiser l'internalisation cytosolique des longs peptides. Les protéines de fusion XCLl-OVA-Fc développées dans la première partie de mon travail, ont démontré leur capacité de liaison spécifique sur les XCRl-DCs associée à leur capacité de chemo-attractio. Lorsque inclues dans une mmunisation de souris porteuse de tumeurs établies, ces protéines de fusion XCL1-0VA LSP-Fc et XCLl-Fc plus OVA LSP ont induites une forte réponse CDS OVA spécifique permettant la complète régression des tumeurs de modèle EL4- 0VA et un retard de croissance significatif de tumeurs de type B16-0VA. Dans le but d'optimiser le drainage des LSPs vers es noyaux lymphatiques, nous avons également testé les LSPs fixés de manière covalente à des nanoparticules co- injectees ou non avec la chemokine XCL1. Cette formulation a également permis une forte réponse CD8 accompagnée d'un effet thérapeutique significatif, mais l'addition de la chemokine XCL1 n'a pas ajouté d'effet anti-tumeur supplémentaire. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai comparé l'immunogénicité de l'antigène humain Melan A soit sous la forme d un LSP incluant un épitope CD4 et CD8 ou sous la forme d'un peptide ne contenant que l'épitope CD8 (SSP) Les peptides ont été formulés avec l'adjuvant QS21 et testés dans un modèle de souris transgéniques pour les MHC let II humains, respectivement le HLA-A2 et DR1. Les deux peptides LSP et SSP ont généré une forte réponse CD8 similaire assoc.ee a une capacité cytotoxique équivalente lors du transfert in vivo de cellules cibles présentant le peptide SSP' Cependant les souris immunisées avec le Melan A LSP présentaient un pourcentage plus élevé de CD8 ayant un Phénotype «centra, memory» (CD44h' CD62L+ and CCR7+ CD62L+) que les souris immunisées avec le SSP, même dix mois après I'immunisation. Par ailleurs, la réponse CD8 au Melan A LSP était strictement dépendante des lymphocytes CD4, contrairement à l'immunisation par le Melan A SSP qui n'était pas affectée. Dans l'ensemble ces résultats suggèrent que la chemokine XCL1 et l'adjuvant QS21 améliorent la réponse CD8 à un long peptide synthétique, favorisant ainsi le développement d'une réponse anti-tumeur mémoire durable. Ces observations pourraient être utiles au développement de nouveau vaccins thérapeutiques contre les tumeurs.